CN109099943B - 自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
为了解决现有技术中WL‑PMDI解调系统在光纤EFPI传感器解调中存在的光程匹配困难和光程慢漂的问题，本发明提出了一种自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统及其方法，宽谱光源输出宽谱光依次经过匹配干涉仪和传感干涉仪，路径得到匹配补偿会发生干涉，得到路径匹配差分干涉条纹信号，光电探测器采集路径匹配差分干涉条纹并完成光电转换得到路径匹配差分干涉电信号，光电探测器将路径匹配差分干涉电信号输出至解调与控制子系统进行信号解调和光程差校准与补偿控制。本发明可以自动进行光程匹配校准和光程差慢漂补偿，提高解调系统的适应性、稳定性和可靠性，还克能够服偏振衰落的影响，降低系统噪声，并实现稳定的信号解调输出。
Description
技术领域
本发明涉及相位调制技术领域，尤其是涉及一种自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统及其方法。
背景技术
受微加工技术的影响，以微型非本征F-P干涉仪(Extrinsic Fabry-PerotInterferometer，EFPI)为代表的微臂差干涉型光学传感器成为近十多年的研究热门，在诸多方面表现出相较于传统光纤干涉型传感器的巨大优势。一方面，EFPI突破了光纤自身结构的限制，通过设计合理的结构，可以根据不同的机理实现物理、化学、生物等多种信息量的传感和多参量的同时测量，大大扩展了光纤传感器的应用领域。另一方面，该类型传感器的典型光学尺寸在数十微米至毫米量级，微小的尺寸扩展了光纤传感器在一些特殊场合的应用能力。EFPI的这些优势，其具备声、振动、压力、温度、盐度、气体、化学量等传感能力，如主动声/振动控制、风洞测试、空声探测、爆炸声测试、交通状况监控和基于光声效应的气体检测等，在科研、工业和医疗领域有广泛的应用。
目前对EFPI传感的研究大部分集中在静态和准静态探测领域，主要采用光谱分析法。但光谱分析法受光子积分时间和线阵扫描速度的限制，用于高频动态测量存在困难。而传统的干涉型光学信号检测技术虽然可实现动态信号的检测，但其检测方案主要是针对长臂干涉仪。而对于EFPI传感器，干涉仪臂差为亚毫米甚至以下，无法直接采用已有的光学信号检测手段。目前精度高、适用性好的动态信号检测方法主要有菲索干涉仪法、白光路径匹配差分干涉法等。菲索干涉仪法可检测信号频率上限受限，而白光路径匹配差分干涉仪法(White Light Path Match Differential Interferometry，WL-PMDI)只需要匹配干涉仪与传感干涉仪的光程差匹配，可在匹配干涉仪上施加相位调制，克服了光强波动的影响，采用PGC、外差等相位调制解调技术，容易达到较高的精度，还可以实现相干复用，具有巨大的应用前景。
文献“Fiber-optic Fabry-Perot temperature sensor using a low-coherencelight source”(J.Light.Technol.,1991,9(1):129–134)采用两个腔长相同的低精细度EFPI进行路径匹配解调，实现温度传感。由于EFPI的腔长固定，系统的动态范围相对较小。文献“High-performance fiber-optic temperature sensor using low-coherenceinterferometry”(Opt.Lett.,1997,22(23):1814–1816)进行了改进，采用马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)作为匹配干涉仪，两臂分别缠绕在两个压电陶瓷(PZT)上。一个PZT用于实现路径匹配(几十微米量级)，另一个PZT用于施加三角波的相位调制信号。结合温度补偿和参考传感器，可以实现0.2nm的EFPI腔长分辨，温度的测量范围和测量精度得到大幅度提高。文献“Dual-parameter optical fiber sensor”(Proc.SPIE,1995,vol.2443,pp.258–264)采用F-P读出干涉仪实现对两个ILFE(In-line Fiberetalon)传感器的解调。文献“Multiplexed optical fiber sensors using a singleFabry-Perot resonator for phase modulation”(J.Light.Technol.,1996,14(7):1653–1663)受上一启发，提出采用中等精细度的F-P谐振器实现对低精细度EFPI传感器的相干/频分复用和信号解调。文献“Fiber optic sensors for active acoustics control”(Proc.SPIE,2002,vol.4693,pp.396–406.)、“Acoustic measurements using a fiberoptic sensor system”(J.Intell.Mater.Syst.Struct.,2003,14(7):409–414)和专利“Fiber tip based sensor system for acoustic measurements”(US 6901176,2005)采用集成光学相位调制器(微臂差的集成光学MZI)作为匹配干涉仪进行相位步进调制，结合多步相位步进算法，可以测量更高频率的信号。文献“Real-time demodulation schemebased on phase-shifting interferometry with error compensations for miniatureFabry-Perot acoustic sensors”(Proc.SPIE,2006,vol.6167,p.N1670)采用多通道光开关实现了EFPI麦克风、振速计、加速计等传感器的复用和信号解调，并用于直升机的主动结构声控制中。文献“Phase modulation with micromachined resonant mirrors for low-coherence fiber-tip pressure sensors”(Opt.Express,2009,17(26):23965–23974)采用微加工技术研制了腔长可调制的微型F-P腔滤波器作为可相位调制的匹配干涉仪，实现了光学系统(光源、耦合器、匹配干涉仪、探测器等)的硅基集成，并提出了正弦相位调制与寻极值相位解调方案。文献“Multifunctional optical MEMS sensor platform withheterogeneous fiber optic Fabry-Pérot sensors for wireless sensor networks”(Selected papers from The 16th International Conference on Solid-StateSensors,Actuators and Microsystems,2012,vol.188,pp.471–480)将光源、匹配干涉相位调制器、光电探测、数模转换、相位解调及无线发射等功能集成到一个小型模块中，研制出多功能的光学MEMS无线传感网络平台。该方法的优势为匹配干涉仪的光程相对较短，受噪声的影响较小。但匹配干涉仪为光路固定结构，光程不能调节，若光程差发生慢漂，系统的工作性能会受到显著影响。
综上，WL-PMDI技术方案根据匹配干涉仪臂差是否可调节，可分为光程差固定式和光程差可调式。光程差固定式无复杂的光路调节元件，结构简单，但路径匹配相对较为困难，热膨胀效应和光程慢漂等现象都会导致两个干涉仪的路径失配，使得系统性能下降甚至无法工作。光程差可调式结构通过在光路中引入光程调节元件，能够根据EFPI的光程调节匹配干涉仪的光程，大大增强了系统的适应性，但系统仍然会受到慢漂的影响，需要定时对两个干涉仪进行路径匹配，影响了系统的有效工作时间，加大的维护量，无法体现出WL-PMDI技术在相位调制解调方面的技术优势。同时，由于传感干涉仪和匹配干涉仪类型不同，无法同时制作，两个干涉仪的光程匹配是通过后续操作实现，需要额外的仪器辅助，光程匹配相对困难。
发明内容
为了解决现有技术中WL-PMDI解调系统在光纤EFPI传感器解调中存在的光程匹配困难和光程慢漂的问题，本发明提出了一种自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统及其方法，可以自动进行光程匹配校准和光程差慢漂补偿，提高解调系统的适应性，还能够克服偏振衰落的影响，降低系统噪声，实现稳定的信号解调输出。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
自校准自补偿型白光路径路径匹配差分干涉相位解调系统，包括宽谱光源、匹配干涉仪、外接传感器、环形器、光电探测器和解调与控制子系统。
匹配干涉仪采用的是光纤迈克尔逊干涉仪，包括耦合器、相位调制器、电动可调延迟线和2个干涉臂，2个干涉臂分别为1#干涉臂和2#干涉臂，2个干涉臂上采用的反射镜均为法拉第旋光镜。
宽谱光源输出宽谱光至匹配干涉仪中的耦合器，匹配干涉仪中的耦合器将宽谱光源输出的宽谱光均分成两束，匹配干涉仪中的电动可调延迟线对两束光的光程差进行控制，其中一束光经过相位调制器后被相位调制；两束光分别经过法拉第镜被反射后沿原路返回至耦合器；两束被反射回的光束在耦合器处完成合束后形成的合束光经环形器进入环形器外接的外接传感器中。
经外接传感器中的传感干涉仪后再次被分成两束光且这两束光在传感干涉仪中分别传播了不同的光程后经传感干涉仪中的反射镜反射回后又被合束，并传回环形器，经过环形器后进入光电探测器。
宽谱光依次经过匹配干涉仪和传感干涉仪，路径得到匹配补偿会发生干涉，得到路径匹配差分干涉条纹信号，光电探测器采集路径匹配差分干涉条纹并完成光电转换得到路径匹配差分干涉电信号，光电探测器将路径匹配差分干涉电信号输出至解调与控制子系统进行信号解调和光程差校准与补偿控制。
本发明中：匹配干涉仪中的电动可调延迟线与相位调制器可以分别位于不同的干涉臂上，也可以位于同一个干涉臂上，具体如下：
第一种情况，分别位于不同的干涉臂上
匹配干涉仪中的耦合器将宽谱光源输出的宽谱光均分成两束后，其中一束光进入匹配干涉仪中的相位调制器被光程调制后输入到1#法拉第旋光镜，被1#法拉第旋光镜反射后沿原光路返回即经相位调制器再次被光程调制后回到耦合器；另一束光进入电动可调延迟线，经电动可调延迟线被光程延迟后输入到2#法拉第旋光镜，被2#法拉第旋光镜反射后沿原光路返回即经电动可调延迟线被光程延迟后回到耦合器。
第二种情况，均位于同一个干涉臂上
匹配干涉仪中的耦合器将宽谱光源输出的宽谱光均分成两束后，其中一束光依次进入匹配干涉仪中的电动可调延迟线、相位调制器被光程延迟、调制后输入到1#法拉第旋光镜，被1#法拉第旋光镜反射后沿原光路返回即经相位调制器、电动可调延迟线再次被光程调制、延迟后回到耦合器；另一束光输入到2#法拉第旋光镜，被2#法拉第旋光镜反射后沿原光路返回到耦合器。
本发明中：路径匹配差分干涉条纹可见度与两个干涉仪光程差失配程度有关：当且仅当匹配干涉仪的光程差与外接传感器的传感干涉仪的光程差相同时，两个干涉仪达到路径达到完全匹配状态。
当两个干涉仪光程差完全匹配时，路径匹配差分干涉条纹可见度最大(接近0.5)；随着匹配干涉仪的光程差与外接传感器的传感干涉仪的光程差之间失配量的增加，路径匹配差分干涉条纹可见度降低。
本发明中：所述解调与控制子系统对所述相位调制器施加相位调制，并根据所述光电探测器探测到的路径匹配差分干涉电信号进行信号解调从而得到传感信号，同时计算光程失配大小从而输出控制指令调节所述电动可调延迟线。
本发明中：所述解调与控制子系统包括AD转换模块、参数计算模块、信号解调模块、主控模块、光程控制模块和信号调制模块。
所述光电探测器输出的路径匹配差分干涉电信号输入到解调与控制子系统中的AD转换模块将光电探测到的模拟形式的路径匹配差分干涉电信号转化成数字形式的路径匹配差分干涉电信号，并将该数字形式的路径匹配差分干涉电信号分别输出到参数计算模块和信号解调模块。
参数计算模块：根据输入的数字形式的路径匹配差分干涉电信号计算干涉条纹可见度和相位调制深度，并输出至主控模块。
主控模块：控制解调与控制子系统的工作流程，在系统开机时或特定需要时执行初始化流程，在初始化流程执行完毕后控制系统执行信号解调流程。在初始化流程中，产生大幅度调制信号形式，并输出至信号调制模块；输出随时间逐渐增加或减小的延迟时间τ至光程控制模块，根据参数计算模块计算得到的可见度V得到干涉条纹可见度随所述电动可调延迟线延迟时间的变化曲线即V-τ曲线；计算V-τ曲线最大可见度值Vmax对应的延迟时间τ0即得到两个干涉仪光程差完全匹配位置对应电动可调延迟线的延迟量，将延迟时间输出至光程控制模块。在信号解调流程中，根据参数计算模块中计算得到的V值，在V-τ曲线中查找得到可见度变化量对应的延迟时间的变化量，并根据延迟时间变化量和特定的控制算法计算出反馈控制所述电动可调延迟线所对应的延迟时间值，并将该值输出至光程控制模块。主控模块还根据参数计算模块计算得到的干涉信号相位调制深度，输出相应的控制指令给信号调制模块。
信号解调模块：对输入的数字形式的路径匹配差分干涉电信号进行相位解调处理，得到外接传感器的传感信号。
信号调制模块：根据主控模块的信号形式，产生相位调制载波信号，驱动相位调制器实现对路径匹配差分干涉条纹的相位调制；根据主控模块控制指令，调整向所述相位调制器施加的调制电压大小，使得干涉信号的相位调制深度为信号调制解调的最优值。
光程控制模块：根据主控模块的延迟时间值，将延迟时间值转化为可以作用于电动可调延迟线的指令，对电动可调延迟线的延迟时间进行调节。
本发明中：宽谱光源输出的宽谱光要求其单独经过外接传感器的传感干涉仪时不会发生干涉，宽谱光的相干长度应远小于外接传感器的传感干涉仪的光程差，即宽谱光源的光谱宽度满足
λ0为宽谱光源中心波长，L为外接传感器其传感干涉仪的光学腔长。
本发明中：外接传感器为微臂差干涉式光纤传感器，如EFPI传感器。
所述相位调制器为压电陶瓷相位调制器，在调制频率点，最大相位调节能力不低于2.6rad。
所述匹配干涉仪的2个干涉臂之间的臂差为零时，所述电动可调延迟线的延迟时间为其最大延迟时间的一半。基于上述自校准自补偿型白光路径路径匹配差分干涉相位解调系统，提供一种自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调方法，包括以下步骤：
S1：初始化
S1-1，所述解调与控制子系统的主控模块控制信号调制模块向所述相位调制器施加大幅度调制信号，其中大幅度调制信号产生的相位调制深度大于π/2。
S1-2，所述解调与控制子系统的主控模块控制光程控制模块向所述电动可调延迟线施加扫描控制信号，所述电动可调延迟线在其延迟范围内进行全程扫描，所述解调与控制子系统采集扫描过程中的路径匹配差分干涉电信号。
S1-3，所述解调与控制子系统的参数计算模块根据采集到的路径匹配差分干涉电信号计算干涉条纹可见度，得到干涉条纹可见度随所述电动可调延迟线延迟时间的变化曲线即V-τ曲线，计算V-τ曲线最大可见度值Vmax对应的延迟时间τ0。
S1-4，所述解调与控制子系统的主控模块输出延迟时间值给光程控制模块，调节所述电动可调延迟线的延迟时间值为τ0，此时自校准自补偿型白光路径路径匹配差分干涉相位解调系统中的匹配干涉仪与传感干涉仪达到路径匹配状态，完成自校准初始化。
S1-5，所述解调与控制子系统的主控模块根据参数计算模块计算得到的干涉信号相位调制深度输出相应的控制指令给信号调制模块，通过信号调制模块调整向所述相位调制器施加的调制电压大小，使得干涉信号的相位调制深度为信号调制解调的最优值，完成自校准自补偿型白光路径路径匹配差分干涉相位解调系统的参数设置初始化。
S2：信号解调
S2-1，所述解调与控制子系统的信号解调模块从AD转换模块输出的数字形式的路径匹配差分干涉信号中解调得到传感信号，同时参数计算模块数字形式的路径匹配差分干涉信号计算出干涉条纹可见度。
S2-2，根据S1-3中得到的V-τ曲线，查找得到可见度变化量对应的延迟时间的变化量。
S2-3，所述解调与控制子系统的主控模块根据S2-2得到的延迟时间变化量和主控模块中预先设定的控制算法(如积分-比例控制算法)计算出反馈控制所述电动可调延迟线所对应的延迟时间值，然后输出至光程控制模块。
S2-4，所述解调与控制子系统的光程控制模块对所述电动可调延迟线的延迟时间进行调节，从而消除慢漂导致的光程失配，实现路径匹配差分干涉的路径失配的自动反馈补偿。
S2-5，重复上述四个步骤即S2-1至S2-4，即可实现传感信号的连续解调和路径失配的实时补偿。
本发明的有益效果如下：
本发明其可以自动进行光程匹配校准和光程差慢漂补偿，提高解调系统的适应性、可靠性和稳定性，同时还能够克服偏振衰落的影响，降低系统噪声，实现稳定的信号解调输出。
附图说明
图1是本发明的结构示意图(电动可调延迟线与相位调制器位于不同干涉臂上)
图2是本发明的另一种结构示意图(电动可调延迟线与相位调制器位于同一干涉臂上)
图3延迟线扫描过程中光程差失配和可见度的变化曲线
图1中：
1、宽谱光源；2、匹配干涉仪；2.1、耦合器；2.2、相位调制器；2.3、电动可调延迟线；2.4、1#法拉第旋光镜；2.5、2#法拉第旋光镜；3、环形器；4、外接传感器；5、光电探测器；6、解调与控制子系统。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1和图2，为本发明两个具体实施例的结构示意图。
自校准自补偿型白光路径路径匹配差分干涉相位解调系统，包括宽谱光源1、匹配干涉仪2、环形器3、外接传感器4、光电探测器5和解调与控制子系统6。
匹配干涉仪2采用的是光纤迈克尔逊干涉仪，包括耦合器2.1、相位调制器2.2、电动可调延迟线2.3和2个干涉臂，2个干涉臂上采用的反射镜均为法拉第旋光镜。
本发明中匹配干涉仪中的电动可调延迟线2.3与相位调制器2.2可以分别位于不同的干涉臂上，也可以位于同一个干涉臂上。
参照图1，电动可调延迟线2.3与相位调制器2.2分别位于不同的干涉臂上。宽谱光源1输出宽谱光；匹配干涉仪2中的耦合器2.1用于将宽谱光源输出的宽谱光均分成两束，其中一束光进入相位调制器2.2被光程调制后输入到1#法拉第旋光镜2.4，被1#法拉第旋光镜2.4反射后沿原光路返回即经相位调制器2.2再次被光程调制后回到耦合器2.1；另一束光进入电动可调延迟线2.3，经电动可调延迟线2.3输入到2#法拉第旋光镜2.5，被2#法拉第旋光镜2.5反射后沿原光路返回即经电动可调延迟线2.3后回到耦合器2.1。两束被反射回的光束在耦合器2.1处完成合束后形成的合束光经环形器3进入环形器3外接的外接传感器4中。外接传感器4是微臂差干涉型光纤传感器。经外接传感器4中的传感干涉仪后再次被分成两束光且这两束光在传感干涉仪中分别传播了不同的光程后经传感干涉仪中的反射镜反射回后又被合束并传回环形器3，经过环形器3后进入光电探测器5。
参照图2，电动可调延迟线2.3与相位调制器2.2位于同一干涉臂上。宽谱光源1输出宽谱光；匹配干涉仪2中的耦合器2.1将宽谱光源1输出的宽谱光均分成两束后，其中一束光依次进入匹配干涉仪2中的电动可调延迟线2.3、相位调制器2.2被光程延迟、调制后输入到2#法拉第旋光镜2.5，被2#法拉第旋光镜2.5反射后沿原光路返回即经相位调制器2.2、电动可调延迟线2.3再次被光程调制、延迟后回到耦合器2.1；另一束光输入到1#法拉第旋光镜2.4，被1#法拉第旋光镜2.4反射后沿原光路返回到耦合器2.1。其中，同时经过匹配干涉仪2长程再经过传感干涉仪短程的一束光与同时经过匹配干涉仪2短程再经过传感干涉仪长程的一束光在合束时路径得到匹配补偿会发生干涉，得到路径匹配差分干涉条纹，该路径匹配差分干涉条纹经过光电探测器5采集并完成光电转换得到路径匹配差分干涉电信号，光电探测器5将路径匹配差分干涉电信号输出至解调与控制子系统6进行信号解调和光程差校准与补偿控制。所述解调与控制子系统6对所述相位调制器2.2施加相位调制，并根据所述光电探测器5探测到的路径匹配差分干涉电信号进行信号解调从而得到外接传感器的传感信号，同时计算光程失配大小从而输出控制指令调节所述电动可调延迟线2.3。
本发明中：宽谱光源的光谱宽度需要根据外接传感器的光程差确定，以满足解调系统正常工作要求。宽谱光源输出的宽谱光要求其单独经过外接传感器的传感干涉仪时不能发生干涉，满足该调节需要宽谱光的相干长度远小于外接传感器的传感干涉仪的光程差，即宽谱光源的光谱宽度满足
λ0为宽谱光源中心波长，L为外接传感器其传感干涉仪的光学腔长。
本发明中：路径匹配差分干涉条纹可见度与两个干涉仪光程差失配程度有关。当且仅当匹配干涉仪的光程差与外接传感器的传感干涉仪的光程差相同时，两个干涉仪达到路径匹配状态。当两个干涉仪光程差完全匹配时，路径匹配差分干涉条纹可见度最大，接近0.5；随着匹配干涉仪的光程差与外接传感器的传感干涉仪的光程差之间失配量的增加，路径匹配差分干涉条纹可见度降低。
本发明中：所述匹配干涉仪的2个干涉臂之间的臂差为零时，所述电动可调延迟线的延迟时间为其最大延迟时间的一半。
所述相位调制器为压电陶瓷相位调制器，在调制频率点，最大相位调节能力不低于2.6rad。
通过解调与控制子系统中的光程控制模块输出控制指令，控制匹配干涉仪上的电控可调延迟线进行扫描，参数计算模块记录扫描过程中的可见度变化，获得可见度-延迟时间曲线(V-τ曲线)，便可以得到V-τ曲线最大可见度值Vmax对应的延迟时间τ0即得到两个干涉仪光程差完全匹配位置对应电动可调延迟线的延迟量，参见图3。进一步地，还可以通过工作过程中干涉条纹可见度的变化，根据V-τ曲线计算光程差慢漂大小，对电动可调延迟线的延迟量进行反馈控制，实现对光程差慢漂的补偿抑制。此外，匹配干涉仪的相位调制会反映在路径匹配差分干涉条纹上，通过对应的信号解调技术，便可以将传感干涉仪的探测到的信号解调出来。
本发明采用了电动可调延迟线作为自动光程调节器件，在此之外，本领域技术人员也可以采用其他方式的自动光程调节器件，如压电陶瓷驱动器等。本发明可以以短腔EFPI传感器作为外接传感器，该传感器由EFPI传感干涉仪和封装结构等组成。当然本发明中的外接传感器不仅可以是EFPI传感器，还可以是其它微臂差干涉式光纤传感器。也就是说，本发明不仅可用于EFPI传感器的信号解调，也可用于其它微臂差干涉式光纤传感器的信号解调。
所述解调与控制子系统包括AD转换模块、参数计算模块、信号解调模块、主控模块、光程控制模块和信号调制模块。
所述光电探测器输出的路径匹配差分干涉电信号输入到解调与控制子系统中的AD转换模块将光电探测到的模拟形式的路径匹配差分干涉电信号转化成数字形式的路径匹配差分干涉电信号，并将该数字形式的路径匹配差分干涉电信号分别输出到参数计算模块和信号解调模块。
参数计算模块：根据输入的数字形式的路径匹配差分干涉电信号计算干涉条纹可见度和相位调制深度，并输出至主控模块。
主控模块：控制解调与控制子系统的工作流程，在系统开机时或特定需要时执行初始化流程，在初始化流程执行完毕后控制系统执行信号解调流程。在初始化流程中，产生大幅度调制信号形式，并输出至信号调制模块；输出随时间逐渐增加或减小的延迟时间τ至光程控制模块，根据参数计算模块计算得到的可见度V得到干涉条纹可见度随所述电动可调延迟线延迟时间的变化曲线即V-τ曲线；计算V-τ曲线最大可见度值Vmax对应的延迟时间τ0即得到两个干涉仪光程差完全匹配位置对应电动可调延迟线的延迟量，将延迟时间输出至光程控制模块。在信号解调流程中，根据参数计算模块中计算得到的V值，在V-τ曲线中查找得到可见度变化量对应的延迟时间的变化量，并根据延迟时间变化量和特定的控制算法计算出反馈控制所述电动可调延迟线所对应的延迟时间值，并将该值输出至光程控制模块。主控模块还根据参数计算模块计算得到的干涉信号相位调制深度，输出相应的控制指令给信号调制模块。
信号解调模块：对输入的数字形式的路径匹配差分干涉电信号进行相位解调处理，得到外接传感器的传感信号。
信号调制模块：根据主控模块的信号形式，产生相位调制载波信号，驱动相位调制器实现对路径匹配差分干涉条纹的相位调制；根据主控模块控制指令，调整向所述相位调制器施加的调制电压大小，使得干涉信号的相位调制深度为信号调制解调的最优值。
光程控制模块：根据主控模块的延迟时间值，将延迟时间值转化为可以作用于电动可调延迟线的指令，对电动可调延迟线的延迟时间进行调节。
基于上述系统，自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调方法，包括以下步骤：
S1：初始化
S1-1，所述解调与控制子系统的主控模块控制信号调制模块向所述相位调制器施加大幅度调制信号，其中大幅度调制信号产生的相位调制深度大于π/2。
S1-2，所述解调与控制子系统的主控模块控制光程控制模块向所述电动可调延迟线施加扫描控制信号，所述电动可调延迟线在其延迟范围内进行全程扫描，所述解调与控制子系统采集扫描过程中的路径匹配差分干涉电信号。
S1-3，所述解调与控制子系统的参数计算模块根据采集到的路径匹配差分干涉电信号计算干涉条纹可见度，得到干涉条纹可见度随所述电动可调延迟线延迟时间的变化曲线即V-τ曲线，计算V-τ曲线最大可见度值Vmax对应的延迟时间τ0，如图3所示。
S1-4，所述解调与控制子系统的主控模块输出延迟时间值给光程控制模块，调节所述电动可调延迟线的延迟时间值为τ0，此时自校准自补偿型白光路径路径匹配差分干涉相位解调系统中的匹配干涉仪与传感干涉仪达到路径匹配状态，完成自校准初始化。
S1-5，所述解调与控制子系统的主控模块根据参数计算模块计算得到的干涉信号相位调制深度输出相应的控制指令给信号调制模块，通过信号调制模块调整向所述相位调制器施加的调制电压大小，使得干涉信号的相位调制深度为信号调制解调的最优值，完成自校准自补偿型白光路径路径匹配差分干涉相位解调系统的参数设置初始化。
S2：信号解调
S2-1，所述解调与控制子系统的信号解调模块从AD转换模块输出的数字形式的路径匹配差分干涉信号中解调得到传感信号，同时参数计算模块数字形式的路径匹配差分干涉信号计算出干涉条纹可见度。
S2-2，根据S1-3中得到的V-τ曲线，查找得到可见度变化量对应的延迟时间的变化量。
S2-3，所述解调与控制子系统的主控模块中预先设定的控制算法(如积分-比例控制算法)根据S2-2得到的延迟时间变化量计算出反馈控制所述电动可调延迟线所对应的延迟时间值，然后输出至光程控制模块。
S2-4，所述解调与控制子系统的光程控制模块对所述电动可调延迟线的延迟时间进行调节，从而消除慢漂导致的光程失配，实现路径匹配差分干涉的路径失配的自动反馈补偿。
S2-5，重复上述四个步骤即S2-1至S2-4，即可实现传感信号的连续解调和路径失配的实时补偿。
优选地，本实施例中所述解调与控制子系统采用的信号调制解调方法为相位产生载波(PGC)调制解调方法，调制深度的最优值根据实际采用的解调算法确定，目前较为成熟和典型的解调算法有微分交叉相乘算法和反正切算法。
优选地，本实施例中所述最优匹配干涉仪的设置为：当2个干涉臂之间的臂差为零时，所述电动可调延迟线的延迟时间为其最大延迟时间的一半。
优选地，本实施例中所述相位调制器为压电陶瓷相位调制器，在调制频率点，最大相位调节能力不低于2.6rad。
优选地，本实施例中所述干涉条纹可见度的计算精度越高越好，一般不低于0.05。
本发明具体实现的原理可以表述如下：
WL-PMDI技术要求光仅通过外接传感器或匹配干涉仪后是不相干的，只有同时通过外接传感器和匹配干涉仪后才发生干涉。匹配干涉仪的光程差应与EFPI传感器(本发明一实施例中采用的外接传感器)的光程差匹配，宽谱光源的相干长度必须远小于各独立干涉仪(匹配干涉仪和外接传感器中的传感干涉仪)的光程差，同时远大于两个干涉仪光程差(匹配干涉仪和外接传感器中的传感干涉仪)的最大匹配误差。而匹配干涉仪的光程是根据传感干涉仪的光程进行调节，基于此考虑，需要根据传感干涉仪的光程差计算宽谱光源的相干长度范围，进而确定宽谱光源的谱宽。
外接传感器中的传感干涉仪主要有三类：F-P干涉仪(FPI)、MI和MZI，其中FPI使用最多。从原理上可以将这三类干涉仪分成两组：多光束干涉仪和双光束干涉仪。高精细度的FPI属于多光束干涉仪，而低精细度的FPI、MI和MZI则属于双光束干涉仪。无论采用何种传感干涉仪的外接传感器，其光学传递函数均相同。本发明采用MI作为匹配干涉仪。对于传感干涉仪以及匹配干涉仪，其光学传递函数均可以表示为
式中A和B为干涉仪(传感干涉仪或者匹配干涉仪)中与两束光反射率和损耗相关的常量，R1和R2分别为干涉仪(传感干涉仪或者匹配干涉仪)中考虑了光损耗后的反射率，k为波数，m为光在干涉仪(传感干涉仪或者匹配干涉仪)里往返传播的次数，对于双光束干涉仪，m＝1。2L表示干涉仪(传感干涉仪或者匹配干涉仪)光程差。
当宽谱光依次传输经过匹配干涉仪和传感干涉仪，入射到光电探测器上时，宽谱光源中所有频率成分的光产生的总的干涉光强度可以表示所有光频分量的积分
其中Hr，Hs分别表示匹配干涉仪和传感干涉仪的光谱传递函数，i(ν)为宽谱光源的光谱分布函数。上式的积分中忽略了宽谱光经过耦合器或环形器后的光强衰减和光谱变化。
WL-PDMI技术要求宽谱光经过单个干涉仪(匹配干涉仪或传感干涉仪)时不相干，因此其使用的宽谱光源的相干长度必须远小于两个干涉仪的最小光程差2Ls，2Lr，其中Ls表示传感干涉仪的光程差，Lr表示匹配干涉仪的光程差。记宽谱光源的相干长度为Lc，则
2Lr，式中λ为宽谱光源中心波长，Δλ为宽谱光源谱宽，c为光速，σ为宽谱光源线宽。为了达到匹配，Ls应近似与Lr相等，Ls≈Lr。
在实际应用中，常采用两种光源，SLD或ASE-EDFA，一般可将SLD出射的光看成高斯线型，但对于ASE-EDFA，可以假设ASE的光谱由中心波长分别位于两个或多个不同峰值处的高斯光谱叠加而成。为了简化分析，只采用单高斯线型的光源进行推导，多高斯线型光源的分析结果可以表示成各种单高斯线型光源的线性叠加。带入式(2)中，可以得到
式中，下标r和s分别表示匹配干涉仪和传感干涉仪，Ar和Br为在匹配干涉仪中与两路光反射率和损耗相关的常量，Rr1和Rr2分别为在匹配干涉仪中考虑了光损耗后的两路光的反射率，As和Bs为在传感干涉仪中与两路光反射率和损耗相关的常量，Rs1和Rs2分别为在传感干涉仪中考虑了光损耗后的两路光的反射率。ΔL＝Ls-mLr为传感干涉仪与匹配干涉仪光程差的差值，I0为光强常数，k0为波数。从上式可以看出，光源相干长度Lc的增加可以降低对干涉仪匹配精度的要求。当传感干涉仪也为双光束干涉仪时，如低精细度EFPI传感器，式(3)可以简化为
式中，Vr、Vs分别表示匹配干涉仪和传感干涉仪自身的可见度，ΔL＝Ls-Lr。
由上式得到路径匹配差分干涉条纹可见度为
路径匹配差分干涉条纹的理论最大可见度不超过0.5，且V与光程差失配量ΔL绝对值的大小呈单调的负相关，传感干涉仪和匹配干涉仪光程差的失配会导致干涉条纹可见度降低，都会导致系统检测指标的急剧恶化甚至不能工作。
在匹配干涉仪设计时，一般考虑易于制作、可方便进行腔长匹配和相位调制的干涉仪结构。在图1、2所示的结构中，匹配干涉仪为基于光纤元件的MI。为了使匹配干涉仪的光程差能够与传感干涉仪匹配，在MI的一臂上采用了电动可调延迟线，用于调节臂长。在研制匹配干涉仪时，需要考虑相位调制器和电动可调延迟线的插入损耗，可在其中加入可调光衰减器以平衡两个反射臂的损耗。此外，本发明还采用法拉第旋转镜(FRM)作为MI两臂末端的反射镜，克服偏振诱导相位衰落的影响，提高系统的工作稳定性和解调精度，降低系统的噪声水平。
为了实现路径匹配，已有的方法是在解调系统工作前先将两个干涉仪拆开，并分别外接至多通道光谱接收仪器，测量出各光程差的绝对大小，进而进行匹配调节，这在实际使用中极不方便。考虑到匹配差分干涉条纹可见度是一个可测的物理量，本发明选用该物理量作为光程差自校准依据。在系统开始工作前，使电动可调延迟线在其工作范围内线性扫描，从而改变匹配干涉仪光程差大小，并计算扫描过程中干涉条纹可见度变化。在某个长度上，可见度具有最大值，该长度即为最佳匹配光程差。
在无外界辅助下，直接对匹配差分干涉条纹可见度进行测量相对较为困难。通过向相位调制器施加足够大的相位调制信号，根据匹配差分干涉信号波形计算匹配差分干涉条纹可见度。为了克服工作点的影响，相位调制深度不能太小。采用相位调制器，在相位调制深度为2.4rad时，光程的最大变化量约为λ/5。以典型的40nm谱宽的宽谱光源为例，光程调制引起的可见度变化小于1‰，因此相位调制不会对干涉条纹可见度产生明显的影响。采用调制的干涉波形反而有利于干涉条纹可见度的计算，可见度由下式计算
V＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin) (6)
式中，Imax为干涉条纹光强的最大值，Imin为干涉条纹光强的最小值。
解调系统的全光纤元件结构容易受到环境扰动特别是温度的影响，MI各臂的光程发生慢漂。由于光路中光纤的扰动，很难实现传感干涉仪和匹配干涉仪光程差的精确匹配。加之光程差发生慢漂，光路中的不确定性因素增加。为了使系统稳定可控，本发明提出采用主动补偿的方法抑制光程慢漂的影响。在自补偿光程差慢漂时，为了防止突然过大的光程补偿导致出现“跳刺”现象，每次反馈时都对光程差的慢漂进行补偿，使得光程差的失配总是维持在较小的数值上。光程差的失配量大小通过匹配差分干涉条纹可见度和自校准过程中的扫描曲线计算得到，根据失配量的大小控制电动可调延迟线进行补偿。由于光程差为慢变量，因此采用比例-积分控制算法进行反馈补偿。比例-积分控制算法的具体参数根据实际所选用的电动可调延迟线的反应时间、数据帧时间、电路延迟等参数，采用PID参数整定方法确定。
在完成自校准后可进行传感信号的解调，光程慢漂补偿与信号解调同步进行。相位的调制可通过向匹配干涉仪一臂的相位调制器施加调制信号实现。本实施例选用PGC相位调制解调方案。该方案是一种零差解调法，具有解调精度高，动态范围大，易于实现等特点，目前已经得到广泛的应用。解调算法采用反正切算法，并优化了PGC调制参数，调制深度选定为2.6rad，提高相位解调稳定性和干涉条纹可见度计算精度。对于本专业领域的技术人员，也可以选择微分交叉相乘算法，建议调制深度设定为2.4rad。
虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型，如将电动可调延迟线用压电陶瓷形式的光程可调结构代替、将压电陶瓷相位调制器用晶体结构的相位调制器代替、将匹配干涉仪和外接传感器互换位置等。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统，其特征在于：包括宽谱光源、匹配干涉仪、外接传感器、环形器、光电探测器和解调与控制子系统；
匹配干涉仪采用的是光纤迈克尔逊干涉仪，包括耦合器、相位调制器、电动可调延迟线和2个干涉臂，2个干涉臂分别为1#干涉臂和2#干涉臂，2个干涉臂上采用的反射镜均为法拉第旋光镜；
宽谱光源输出宽谱光至匹配干涉仪中的耦合器，匹配干涉仪中的耦合器将宽谱光源输出的宽谱光均分成两束，匹配干涉仪中的电动可调延迟线对两束光的光程差进行控制，其中一束光经过相位调制器后被相位调制；两束光分别经过法拉第镜被反射后沿原路返回至耦合器，两束被反射回的光束在耦合器处完成合束后形成的合束光经环形器进入环形器外接的外接传感器中；
经外接传感器中的传感干涉仪后再次被分成两束光且这两束光在传感干涉仪中分别传播了不同的光程后经传感干涉仪中的反射镜反射回后又被合束，并传回环形器，经过环形器后进入光电探测器；
宽谱光依次经过匹配干涉仪和传感干涉仪，路径得到匹配补偿会发生干涉，得到路径匹配差分干涉条纹，光电探测器采集路径匹配差分干涉条纹并完成光电转换得到路径匹配差分干涉电信号，光电探测器将路径匹配差分干涉电信号输出至解调与控制子系统进行信号解调和光程差校准与补偿控制；所述解调与控制子系统对所述相位调制器施加相位调制，并根据所述光电探测器探测到的路径匹配差分干涉电信号进行信号解调从而得到外接传感器的传感信号，同时计算光程失配大小从而输出控制指令调节所述电动可调延迟线；所述解调与控制子系统包括AD转换模块、参数计算模块、信号解调模块、主控模块、光程控制模块和信号调制模块；
所述光电探测器输出的路径匹配差分干涉电信号输入到解调与控制子系统中的AD转换模块将光电探测到的模拟形式的路径匹配差分干涉电信号转化成数字形式的路径匹配差分干涉电信号，并将该数字形式的路径匹配差分干涉电信号分别输出到参数计算模块和信号解调模块；
参数计算模块：根据输入的数字形式的路径匹配差分干涉电信号计算干涉条纹可见度和相位调制深度，并输出至主控模块；
主控模块控制解调与控制子系统的工作流程，解调与控制子系统的工作流程包括初始化流程和信号解调流程，在系统开机时或特定需要时执行初始化流程，在初始化流程执行完毕后控制系统执行信号解调流程；
在初始化流程中，产生大幅度调制信号形式，并输出至信号调制模块；输出随时间逐渐增加或减小的延迟时间τ至光程控制模块，根据参数计算模块计算得到的可见度V得到干涉条纹可见度随所述电动可调延迟线延迟时间的变化曲线即V-τ曲线；计算V-τ曲线最大可见度值Vmax对应的延迟时间τ0即得到两个干涉仪光程差完全匹配位置对应电动可调延迟线的延迟量，将延迟时间输出至光程控制模块；
在信号解调流程中，根据参数计算模块中计算得到的V值，在V-τ曲线中查找得到可见度变化量对应的延迟时间的变化量，主控模块中预先设定的控制算法根据延迟时间变化量计算出反馈控制所述电动可调延迟线所对应的延迟时间值，并将该值输出至光程控制模块；
主控模块还根据参数计算模块计算得到的干涉信号相位调制深度，输出相应的控制指令给信号调制模块；
信号解调模块：对输入的数字形式的路径匹配差分干涉电信号进行相位解调处理，得到外接传感器的传感信号；
信号调制模块：根据主控模块的信号形式，产生相位调制载波信号，驱动相位调制器实现对路径匹配差分干涉条纹的相位调制；根据主控模块控制指令，调整向所述相位调制器施加的调制电压大小，使得干涉信号的相位调制深度为信号调制解调的最优值；
光程控制模块：根据主控模块的延迟时间值，将延迟时间值转化为可以作用于电动可调延迟线的指令，对电动可调延迟线的延迟时间进行调节。
2.根据权利要求1所述的自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统，其特征在于：路径匹配差分干涉条纹可见度与两个干涉仪光程差失配程度有关：当且仅当匹配干涉仪的光程差与外接传感器的传感干涉仪的光程差相同时，两个干涉仪达到路径达到完全匹配状态；
当两个干涉仪光程差完全匹配时，路径匹配差分干涉条纹可见度最大；随着匹配干涉仪的光程差与外接传感器的传感干涉仪的光程差之间失配量的增加，路径匹配差分干涉条纹可见度降低。
3.根据权利要求1所述的自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统，其特征在于：宽谱光源输出的宽谱光要求其单独经过外接传感器的传感干涉仪时不会发生干涉，要求宽谱光的相干长度远小于外接传感器的传感干涉仪的光程差，即宽谱光源的光谱宽度满足
λ0为宽谱光源中心波长，L为外接传感器其传感干涉仪的光学腔长。
4.根据权利要求1所述的自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统，其特征在于：匹配干涉仪中的耦合器将宽谱光源输出的宽谱光均分成两束后，其中一束光进入匹配干涉仪中的相位调制器被光程调制后输入到1#法拉第旋光镜，被1#法拉第旋光镜反射后沿原光路返回即经相位调制器再次被光程调制后回到耦合器；另一束光进入电动可调延迟线，经电动可调延迟线被光程延迟后输入到2#法拉第旋光镜，被2#法拉第旋光镜反射后沿原光路返回即经电动可调延迟线被光程延迟后回到耦合器。
5.根据权利要求1所述的自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统，其特征在于：匹配干涉仪中的耦合器将宽谱光源输出的宽谱光均分成两束后，其中一束光依次进入匹配干涉仪中的电动可调延迟线、相位调制器被光程延迟、调制后输入到1#法拉第旋光镜，被1#法拉第旋光镜反射后沿原光路返回即经相位调制器、电动可调延迟线再次被光程调制、延迟后回到耦合器；另一束光输入到2#法拉第旋光镜，被2#法拉第旋光镜反射后沿原光路返回到耦合器。
6.根据权利要求1所述的自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统，其特征在于：外接传感器为微臂差干涉式光纤传感器；
所述相位调制器为压电陶瓷相位调制器，在调制频率点，最大相位调节能力不低于2.6rad。
7.根据权利要求1所述的自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统，其特征在于：所述匹配干涉仪的2个干涉臂之间的臂差为零时，所述电动可调延迟线的延迟时间为其最大延迟时间的一半。
8.自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：初始化；
S1-1，解调与控制子系统的主控模块控制信号调制模块向相位调制器施加大幅度调制信号，其中大幅度调制信号产生的相位调制深度大于π/2；
S1-2，解调与控制子系统的主控模块控制光程控制模块向电动可调延迟线施加扫描控制信号，电动可调延迟线在其延迟范围内进行全程扫描，解调与控制子系统采集扫描过程中的路径匹配差分干涉电信号；
S1-3，解调与控制子系统的参数计算模块根据采集到的路径匹配差分干涉电信号计算干涉条纹可见度，得到干涉条纹可见度随电动可调延迟线延迟时间的变化曲线即V-τ曲线，计算V-τ曲线最大可见度值Vmax对应的延迟时间τ0；
S1-4，解调与控制子系统的主控模块输出延迟时间值给光程控制模块，调节电动可调延迟线的延迟时间值为τ0，此时自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统中的匹配干涉仪与传感干涉仪达到路径匹配状态，完成自校准初始化；
S1-5，解调与控制子系统的主控模块根据参数计算模块计算得到的干涉信号相位调制深度输出相应的控制指令给信号调制模块，通过信号调制模块调整向相位调制器施加的调制电压大小，使得干涉信号的相位调制深度为信号调制解调的最优值，完成自校准自补偿型白光路径匹配差分干涉相位解调系统的参数设置初始化；
S2：信号解调；
S2-1，解调与控制子系统中的信号解调模块从AD转换模块输出的数字形式的路径匹配差分干涉信号中解调得到传感信号，同时参数计算模块数字形式的路径匹配差分干涉信号计算出干涉条纹可见度；
S2-2，根据S1-3中得到的V-τ曲线，查找得到可见度变化量对应的延迟时间的变化量；
S2-3，解调与控制子系统的主控模块中预先设定的积分-比例控制算法根据S2-2得到的延迟时间变化量计算出反馈控制电动可调延迟线所对应的延迟时间值，然后输出至光程控制模块；
S2-4，解调与控制子系统的光程控制模块对电动可调延迟线的延迟时间进行调节，从而消除慢漂导致的光程失配，实现路径匹配差分干涉的路径失配的自动反馈补偿；
S2-5，重复上述四个步骤即S2-1至S2-4，即可实现传感信号的连续解调和路径失配的实时补偿。
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